綠色低碳背景下中國產業結構調整分析

張恪渝++廖明球++楊軍

摘要中國作為世界第一的一次能源消費國以及最大的二氧化碳排放國，在巴黎世界氣候大會上承諾于2030年以前單位碳強度較2005年降低60%—65%；此外，在《“十三五”規劃綱要》中中國政府也明確提出，在“十三五”時期，碳排放強度較2005年基礎上降低40%—45%的目標。在此背景下，本文基于最新的投入產出表構建了產業結構優化模型。通過行業的生產結構矩陣，構建出行業的能源結構消耗矩陣及碳排結構矩陣，旨在能源消耗量與二氧化碳排放量的雙重約束下，得到中國2020年最優的產業結構調整方案，并計算了基于現有科技水平下中國最大的碳排潛力。線性規劃的結果顯示：①中國 2020年最優的產業結構調整方案可以滿足國民經濟總產出量最大化的目標，年均增長約為8%；且相比目標年份（2005年）二氧化碳強度下降46.93%，能源強度下降26.04%，達到“十三五”規劃中的氣候變化目標。在保證經濟最低增速（6.5%）的前提下，中國二氧化碳的排放總量可以比優化方案再多下降約14%。②建筑業、交通運輸及倉儲業仍然是中國重要的支柱產業，在國民經濟整體的占比份額仍需擴大。③從生產的角度看，中國產業結構必須全面向第三產業服務業轉型，全面提高國民經濟中第三產業的比重，尤其是加大生活服務業類部門的產出量。④為了滿足“綠色、低碳”的約束限制，半數以上的二產部門的生產規模都應有所降低，尤其是能源部門和金屬加工業部門。

關鍵詞I-0表；優化模型；產業結構調整；碳排潛力

中圖分類號F223；F416文獻標識碼A文章編號1002-2104（2017）03-0116-07doi：10.3969/j.issn.1002-2104.2017.03.014

化石能源的使用極大地促進了中國經濟的發展，但于此同時也對環境產生了較為深遠的影響。IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change）最新的報告指出，大氣中二氧化碳濃度的快速增加，是全球氣候變暖的主要原因，且1983—2012年是過去1 400年以來最熱的30年。進入新千年以后，中國因極端氣候所帶來的影響愈發明顯，由此也蒙受了巨大的經濟損失。根據中國氣象局統計，中國氣象災害所造成的直接經濟損失是同期全球平均水平的8倍，相當于國內生產總值的1%。因此，中國政府分別在巴黎世界氣候大會及《“十三五”規劃綱要》中提出了改善大氣環境、降低碳排強度的目標。由于二氧化碳的排放主要源于化石能源的燃燒，而清潔能源如風電、水電等并不直接排放二氧化碳，因此使用清潔（新）能源技術可以從本質上解決二氧化碳的排放問題。但由于技術的成熟度與使用成本等因素，清潔能源并不可能在短期內在中國各行業部門中大量普及。因而，在現有能源技術水平下，如何進行產業結構調整以控制中國的能源強度及碳排強度受到了政府部門及學界的廣泛關注。同樣基于節能、減排的產業結構調整也與中國政府“十三五”規劃中所倡導的經濟綠色、低碳的發展行為相一致，因此有著重要的意義。本文主要利用投入產出表構建相應的優化模型，得到2020年（即“十三五”規劃最后一年）中國最優的產業結構并計算出相應的最大碳排潛力。

1文獻綜述

國內外文獻中將產業結構、能源消耗與碳排放一并進行分析的方法大致可分為兩大類。第一大類是使用數據包絡分析（Data Envelopment Analysis，DEA）及其衍生方法，通過結構分解或指數分解，將行業效率的變化分解為技術效應和結構效應，然后找出影響產出、能源或者碳排效率的原因。段文斌、余泳澤[1]基于SFA（Stochastic Frontier Analysis）方法，分析中國工業部門分行業的效率并將其進行結構分解，測量它們與能源強度之間的聯系。宋德勇、盧忠寶[2]采用twostage LMDI（Logarithmic Mean Divisia Index）法，測算出了中國各個產業部門碳排放的波動性，并發現了排放量存在的周期性規律。周五七[3]使用全局（Global）DEA模型同樣對中國工業部門進行效率分解，發現能源相對價格的提高可以顯著降低高能耗行業的能源強度。顧阿倫、呂志強[4]則使用IOSDA（IO Structural Decomposition Analysis）方法分析了經濟結構變動對中國碳排的影響。結果表明，基礎性行業大多是高耗能的行業，因此中國未來節能減排的重點需要逐步降低第二產業的比重，但在具體的政策上對各行業應有所區別。

另一大類將產業結構、能耗與碳排納入同一框架內考量的方法是投入產出方法。早在上個世紀70年代，Leontief[5]就提出了一種環境投入產出模型（Environmental IO model），將環境污染與環境治理納入到同一體系中。趙欣娜、雷明[6]編制了中國2007年綠色投入產出表（Green IO table），在此基礎上分析了能源FDI誘發效應以及能源經濟連鎖效應等。苑立波、葛守中[7]在浙江省投入產出表的基礎上建立了浙江省“碳排”投入產出表及其基本模型，給出了直接綜合碳排系數、完全綜合碳排系數等反映碳排放強度的表達式，可以從行業層面上分析碳排放的基本情況。Wei Yiming[8]等基于投入產出模型，以能耗量最低為目標對中國能源需求進行了情景分析。

張恪渝等：綠色低碳背景下中國產業結構調整分析中國人口·資源與環境2017年第3期通過文獻綜述可以發現，雖然DEA及其相關模型可以有效地對產業效率進行分析，但它不能考慮到產業之間復雜的關聯，也不能清晰地反應出如何對產業結構進行調整。而現有的投入產出方面的文獻，并沒有在《巴黎協定》的背景下，回答如何在“綠色、低碳”雙重約束下中國產業結構調整的方向。 因此，本文將使用投入產出模型，通過它核心的生產結構矩陣，計算出中國各產業部門的能源強度矩陣及碳排強度矩陣，然后基于部門的生產、能耗及碳排三大結構矩陣，構建中國產業結構優化模型，并計算出對應的行業碳排量，為中國經濟低碳發展模式下，產業結構如何調整提出一些建議。

2優化模型構建

2.1能源消耗矩陣及碳排矩陣

一般的投入產出模型，根據里昂惕夫[9]所提的行模型原理，中間使用+最終使用=總產出，其矩陣表達形式為：

AX+Y=X（1）

其中，X為各部門的總產出矩陣；Y為部門的最終需求矩陣；A矩陣就是中間消耗矩陣。其每一元素的計算公式為：

（2）式代表了j部門每生產一單位產品需要消耗i部門產品的數量。

根據公式（1）可以得到總產出X與凈產出Y（即最終需求）之間的關系：

由于（I-A）鏈接了部門間投入與產出的結構，因此本文將其定義為國民經濟的生產結構AP。

對于能源使用結構，中國并沒有官方的分行業統計數據，所以需要通過一定的方法計算出各行業、部門的能源消耗量。本文只考慮各行業部門生產過程中所消耗的能源量，因此可以根據投入產出表中能源部門產品的分配數量進行拆分，具體拆分方法見張恪渝[10]。由此可以得到部門的能源強度矩陣E，其元素emj代表部門j每生產一單位產品消耗第m種能源的數量，即是用能源m的直接消耗量除以部門j的總產量，j=1，2，…，N；m=1，2，…，M。

接著定義行業能源結構矩陣

其中，β為各能源換算成標準煤的轉化系數（具體數值見表1）；EβT代表了各部門生產出單位產出一共消耗能源的總量，即能源的復合消耗率，是一個1×n的向量。

最后，本文使用IPCC所提出的按能源燃燒熱值進行碳排系數計算的方法，對中國分行業的碳排強度進行核算。具體方法闡述及計算過程見陳詩一[11]、徐達豐[12]。根據部門的能源強度矩陣E，可以得到相應的部門二氧化碳強度矩陣C，其元素cmj代表部門j每生產一單位產品消耗第m種能源所相應排放的二氧化碳數量，即是用能源m的直接碳排量除以部門j的總產量，j=1，2，…，n；m=1，2，…，M。

其中，emj為能源強度矩陣E中的元素；fm為IPCC所提供的分能源碳排放系數；12/44 為碳在二氧化碳中所占比例。

因此，行業碳排結構矩陣可以定義為

其中，i是一個系數全為1的標量（scaler），i=（1，1，…，1）T，其維度為m×1；C×i表示各部門生產單位產出所排放出的二氧化碳總量，是n×1的矩陣。

2.2優化模型設計

綠色、低碳發展，其本質上就是在保證一定量經濟產出的情況下，盡量將能源消耗量與二氧化碳排放數量控制在一定的范圍。因此，基于傳統線性規劃模型的范式，中國低碳經濟優化模型可以表示為：

具體來說，目標函數為最大化中國各部門的總產出量。因此，

其中，x作為決策變量，xj代表了按照部門j的總產出。i依舊為標量，加入的目的是為了方便矩陣表達。目標函數f是將中國所有部門的產出進行加總，代表了最大化國民總產出量。

約束條件為：

其中，ef為能源總量約束。將能源結構矩陣AE乘上總產出x再進行加總，代表了將所有部門生產活動消耗的能源量進行加總，不超過給定的臨界值。加入能源總量約束的原因在于經濟的低碳發展不光是對一國的碳排放總量進行限制，同樣也需要保證合理的能源消耗結構。

其中，cf為碳排總量約束。和能源約束類似，將碳排結構矩陣ACE乘上總產出x再進行加總，目的在于將所有部門生產活動所排出的二氧化碳總量進行控制，不超過既定的目標。

其中，yf為經濟增長下限。通過生產結構矩陣AP，將所有部門的總增加值控制在既定底線之上。

其中，lj和uj分別表示部門j產量的下界與上界。原因在于現實情況中，多數部門的產出量不可能從0到無窮的范圍內變化，最多只能進行小范圍調整，否則會影響整體經濟的運行。因此人為的給個別行業的變動加入上下界，可以讓優化的結果更符合實際情況。此外，加入這一約束的另一個目的在于剔除可行解集合中出現的極端狀況（例如一國只有個別部門有產出，其他部門產量均為零）。

3數據及實證分析

3.1數據來源

本文使用的投入產出表是基于國家統計局所頒布的“2012年中國投入產出表”。基于研究目的本文將原始的139個部門合并為41個（見表2）。此外，為了數據結構的準確性，本文使用最新行業的增加值及最終需求數據通過混合RAS[13]方法將2012年數據升級，得到2014年的投入產出的中間結構（由于2015年的部分數據還沒有頒布，因此2014年的生產結構是我們可以升級到的最新投入產出結構），并以此為基期進行分析。

能源數據主要來源于《中國能源統計年鑒（2015）》，其種類的劃分包括了煤炭、焦炭、原油、汽油、煤油、柴油、燃料油、天然氣、電力這9種主要的能源形式。本文所使用的能源數據僅指各部門生產過程中消耗的化石能源數量，是終端消費量與各部門分攤的損失量（包括加工轉換損失量）之和，即能源使用量=終端消費量+損失量（包含加工轉換損失）。其中，使用終端消費量是為了剔除一次、二次能源所帶來的重復計算，而對損失量進行彌補則是為了更好地反映真實數值。

對于二氧化碳排放的界定，本文只計入部門生產時燃燒化石能源所排放的二氧化碳數量，而不包括非燃燒活動所產生的。即不包含化學反應所產生的二氧化碳量，也不包含人與動物呼吸所排出的量。

本文所構建的優化問題是按照現有的經濟結構與科技水平，以“十三五”規劃中最低經濟增長速度（年均6.5%）作為經濟約束；以2020年巴黎會議所要求達到的能源強度、碳排強度為目標，回答如何進行產業結構調整可以使中國經濟在綠色、低碳的發展模式下，國民總產出達到最大。

3.2實證結果分析

2020年中國41部門產出量變化及碳排強度變化見表3、表4。各部門產出量的表現可以從表3得到：

（1）從整體看，相比于基年，中國2020年第一產業農林牧漁等部門占整體經濟的比重變化不大，增長約為5.07%；而二產部門產出量降低的趨勢較為明顯，需要下降至原有產能的46.4%，說明節能減排的約束對于制造業部門整體產生了巨大影響；三產服務業產出占比則有了較為明顯的增加，達到37%。

（2）從具體行業情況分析，2020年中國行業產出量排名前5位的部門分別為建筑業，化學工業，食品制造及煙草加工業，批發和零售業以及通用、專用設備制造業。而相對增長幅度（與基年相比）排名前5的部門為郵政業，金融業，衛生、社會保障和社會福利業，批發和零售業，增幅比例最大的部門全部為第三產業部門。而相比2014年產

出量需要下降（減少產能）的部門有5個，分別為煤炭開采和洗選業，石油加工、煉焦及核燃料加工業，非金屬礦物制品業，金屬冶煉及壓延加工業以及電力、熱力的生產和供應業。其中，降低幅度最高的是金屬冶煉及壓延加工業，比例達到50%左右。需要減少產能的部門全部集中于第二產業。

我們繼續通過式（9）-（11）可以計算出各行業2020年的二氧化碳排放量和碳排強度，可以看出：

（1）從各行業的CO2排放總量看，2020年優化方案中化學工業的碳排放總量排名第一，占比約20.6%。此外，在優化模型中，除去交通運輸部門外，CO2排放量前10的全都屬于第二產業部門。其中，煤炭開采和洗選業，非金屬礦物制品業，電力、熱力生產和供應業等6個行業的碳排量相比基年都要有所降低；碳排量下降最大的部門為電力、熱力生產和供應業，降低了48.2萬t，降幅約為79%。這個結果說明在二氧化碳排放總量的約束條件下，工業部門是“碳排放大戶”這一點依舊沒有改變，但整體的排放數量相比2014年有了大幅降低。而一產農林牧漁業的排放比例從0.87%上升至4.2%，表明一產的“碳減排”潛力并不大。三產部門中只有倉儲運輸業相比基年降低碳排

放水平，其他部門或多或少都有不同程度的放松。

（2）碳生產率（增加值/單位碳排放量）排在前5位的是批發和零售業、信息傳輸和軟件業、教育、金融業以及房地產業，全部屬于第三產業部門；在前十位的也只有儀器儀表及文化辦公用機械制造業和通信設備、計算機以及其他電子設備制造業這兩個部門屬于二產的制造業。這些行業大多屬于低排放部門，且增加值相比其他行業較高。

從碳強度變化的角度分析（見表4），優化方案相比于基年，二產中有半數部門的碳強度都有所下降。尤其是能源部類中所包含的5個產業，非金屬礦及其他礦采選業碳生產率升高得尤其明顯。其中，石油加工及煉焦業與電力、熱力的生產和供應業需要提高近兩倍碳生產率才能達成約束條件要求。而三產部門碳排強度的變化，只有金融業，教育，居民服務業，房地產業以及研究、試驗發展業5個部門有所降低，其余各部門都有所增加。

因此，通過技術研發等手段提高第二產業部門整體的碳生產率水平，尤其是能源類部門以及基礎的重工業部門，對中國實現減排目標意義重大。若能大力改善上述行業的碳生產率，則會有事半功倍的效果：能夠在保證經濟

總量增長的前提下，更有效地控制二氧化碳排放。交通運輸及倉儲業是三產中唯一碳排放總量排進前十的部門，從經濟產出量看也排在優化結果的第8位（比起基年需要提升約50%的產出量），屬于中國經濟發展的支出產業之一。如果未來可以將新能源、新材料等高新技術在交通運輸部門多加推廣及應用，減少該部門的碳排放壓力，很大程度上會有助于中國經濟的低碳發展。

經測試，基于優化模型的結果，中國2020年二氧化碳強度整體比基年（2014年）下降18.1%，對比目標年（2005年）則下降46.93%；而能源強度可以下降26.04%，滿足了“十三五”規劃中所提出的單位GDP溫室體氣減排目標。

3.3碳減排潛力估計

上述結論是基于總量控制的優化模型（非限制模型），得到中國2020年最優的產業結構。同樣使用2014年的生產結構、能源結構以及碳排放結構，加入強制性“減排”的政策性因素，即逐步減少式（10）中對CO2排放總量的限制。目的就是在優化模型得不到可行解前（即不能滿足最低經濟增長），測算中國最多能夠減少多少二氧化碳排放量。碳排放總量減少比例的步長值設定為α，α∈[0.99-0.5]。即將式（10）改為

在重復優化步驟之前，先將式（12）中部門產出量變動的上下限放寬至 50%。結果如圖2所示，橫軸表示政策強制規定下二氧化碳排放量的減少比例，縱軸為GDP增速（下降）比例。在保持最低經濟增速（6.5%）的前提下，中國最多能承受的二氧化碳排放量約為非限制優化問題結果的86%。如果繼續對二氧化碳的排放總量進行控制，將不能完成“十三五”規劃所要達到的經濟增長最低目標。

總體來說，相比于非限制模型的優化模型結果，除了研究與試驗發展業這個部門需要增加產能以外，其余40個部門都要控制產能。尤其是燃氣生產和供應業、非金屬礦及其他礦采選業、石油和天然氣開采業等15個部門，其總產出量都需要減少60%左右，可見這些部門與碳排放量的聯系十分密切，為減排政策重點調節的行業。

4結論及建議

本文基于最新投入產出表中的生產結構，推導出中國分行業的能源使用結構及碳排放結構，然后搭建出“經濟-能源-碳排放”三位一體的結構優化模型，分析了中國2020年最優的產業結構調整方案與最大碳減排潛力，得到以下結論：

（1）鑒于中國龐大的勞動力存量情況， 低于6.5%的經濟增長速度很可能使得就業壓力問題凸顯。因此，在構建能耗總量與碳排放總量雙重約束優化模型時，必須進一步對最低經濟增速加以要求。

（2）根據現有經濟、能源科技水平，中國可以實現“十三五”規劃中碳排放強度目標。按照最優的規劃方案，經計算中國2020年單位GDP碳排放總量將比2005年下降46.93%，相比“十二五”期間下降18.1%。如果以最大化減排為目標，碳排放總量還可以進一步下降約14%。

（3）產業結構調整的核心是促進資源環境依賴較少的行業發展。而對于有高耗能、高排放特征的行業，需要以提高生產技術水平或以提升產品增加值為前提，否則就應減少其產能。這樣才能緩解中國的環境壓力，促進國民經濟綠色、可持續發展。

從優化模型的整體方案看，根據部門間碳強度的不同進行調整，是中國產業結構調整的邏輯主線。二產制造業產出增加幅度最大的幾個部門，主要集中在模塊化架構產品或屬于大型復雜設備領域，是中國制造業優勢的主要體現，因此需要加大投入，增加其產能。這也與“十三五”規劃中對于中國制造業的定位相一致。而能源生產相關的部門以及一些基礎性生產部門，其碳生產率低，但又屬于整個國民經濟鏈條的上游，并不能簡單地遏制其產能。因此最好的方法就是使用低碳技術，集中優勢資源形成規模經濟，從而促進這些行業的發展。在三產服務業中，幾乎所有的部門相比基期都應增加產能，且生活服務業包含的幾個部門增幅最大。這從側面反映出中國生產服務業的可能效率并不夠高，如在保證碳生產率及能源效率的前提下發展低碳經濟，必須加大生活服務業的產出量，盡量提高生產服務業的效率。

（編輯：劉照勝）

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收稿日期：2016-09-29

作者簡介：張恪渝，博士后，主要研究方向為計量經濟方法與CGE模型。Email：zkyjesu@126.com。

通訊作者：楊軍，博士，教授，博導，主要研究方向為農業經濟理論與政策和CGE模型建模。Email：yangjunuibe@163.com。

基金項目：國家社會科學基金項目“中國低碳經濟統計數據庫及其量化模型研究”（批準號：14BTJ026）；國家自然科學基金項目“企業財務制度效率的自強化機制理論與實證研究”（批準號：71572008）。